Проект Geobiodiversity Database помогает выстроить точную и подробную ископаемую летопись палеозоя

Пример сопоставления разрезов позднего ордовика, выполненного программными средствами, созданными для работы с Geobiodiversity Database. Подобные сопоставления были сделаны для всего палеозоя и для всех китайских разрезов. Рисунок с сайта geobiodiversity.com

Китайские палеонтологи свели в общую базу данных все имеющиеся сведения по морским ископаемым палеозоя на территории Китая. Программы, работающие с собранной базой, позволяют совместить в единой хронологической последовательности все отдельные разрезы — а их около 4 тысяч — из различных регионов этой обширной страны. Эта последовательность имеет разрешающую способность 10–40 тысяч лет, что для палеозоя замечательно точно. Эта база обещает вывести исследования древнего разнообразия на новый уровень, хотя пока выводы китайских ученых дают примерно те же результаты, что и предыдущие работы по уже существующей мировой базе данных. Однако важны даже не сами результаты анализа — их будет еще много для разных конкретных задач, — а перспективы использования и самой базы данных, и разработанных для нее программ, способных скомпилировать из отдельных разрезов единую хроностратиграфическую шкалу.

В недавнем выпуске журнале Science опубликована статья международной команды специалистов, в большинстве своем работающих в научных учреждениях Китая, в частности — в Нанкинском университете. Авторы изложили результаты анализа огромной базы данных по ископаемым морским организмам палеозоя. Эта работа сразу привлекает внимание по нескольким причинам. Во-первых, это развитие чрезвычайно интересной темы — насколько можно полагаться на ископаемую летопись в рассуждениях об эволюции. Во-вторых, в ней заявляется о ревизии всех (всех!) китайских данных по палеозою и предоставлении свободного доступа к этим материалам, загруженным в единую базу данных. Специалисты знают, насколько трудно найти и «прочитать» необходимые сведения по китайским ископаемым, поэтому зачастую просто пропускают их. Есть и третья причина, но о ней я скажу немного позже.

База данных, о которой идет речь в обсуждаемой статье, называется Geobiodiversity Database. В ней содержится информация по 3766 разрезам с ископаемой фауной. Причем эти разрезы описываются слой за слоем со всеми имеющимися там ископаемыми видами (всего 45 318 видов) и сопутствующей геологической информацией. Чтобы эти данные собрать и описать согласно текущим представлениям о стратиграфии и таксономии, потребовалось три года работы 11 китайских палеонтологов. Нужно подчеркнуть, что даже на фоне уже привычных сегодня крупных коллекций данных, эта выглядит колоссальной.

Расположение стратиграфических разрезов, занесенных в Geobiodiversity Database. Карта из сопроводительных материалов к обсуждаемой статье в Science

К сожалению, пользователь пока не может свободно смотреть и анализировать данные в этой базе.

Тем не менее, авторы статьи предлагают результаты собственного анализа: что можно увидеть в динамике разнообразия китайских палеобассейнов?

Динамика разнообразия морских беспозвоночных в китайском палеозое. Вверху — графики биоразнообразия по числу видов (черная линия, шкала слева) и по числу родов (голубая линия, шкала справа). Внизу — видовое разнообразие по отдельным группам животных. По горизонтальной оси — время (в млн лет назад) и указаны периоды палеозойской эры. Вертикальными полосами обозначены эпизоды эволюционной радиации (голубые полосы) и массовые вымирания (оранжевые полосы): 1 — ордовикская радиация (Ordovician radiation), 2 — ордовикско-силурийское вымирание, 3 — силурийская радиация, 4 — девонское вымирание, 5 — рост биоразнообразия в каменноугольном и начале пермского периодов, 6 — массовое пермское вымирание. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Заметно, что информация по родам дает примерно те же тренды, что и по видам. Также на кривых выделяются вымирания на границе ордовика и силура и в конце девона. Кроме того, обращает на себя внимание резкость пермо-триасового вымирания. По расчетам авторов, пермо-триасовое вымирание (самое мощное, когда исчезло около 90% всех существовавших видов) имело протяженность всего 63 тысячи лет, что по геологическим меркам очень быстро.

При анализе результатов авторы постоянно сравнивают полученные кривые с известными выкладками по Paleobiology Database (PBDB), опубликованными в 2008 году Джоном Алроем (John Alroy) с большой группой коллег-палеонтологов (см. J. Alroy et al., 2008. Phanerozoic Trends in the Global Diversity of Marine Invertebrates). В этой базе данных совокупными усилиями мирового сообщества собрана глобальная информация по коллекциям ископаемых организмов. Нужно отметить, что в PBDB сильно не хватает данных по Китаю и России. В 2008 году Алрой с коллегами заключили, что выводы о динамике палеоразнообразия делать рановато, потому что имеющиеся данные отражают скорее усилия по сбору окаменелостей, а не истинное разнообразие. Иными словами, количество находок и их распределение во времени и пространстве зависит от того, насколько интенсивно собирался материал в том или ином месте. А потом ведь нужно еще потратить время на внесение имеющейся информации в базу данных. Помимо этого, нужны приемлемые статистические методы обработки данных, учитывающие неполноту и неравномерность сбора коллекций. Так или иначе, после публикации этой статьи к работам по динамике палеоразнообразия стали относиться более критично.

Прошло больше десяти лет. Все это время накапливались данные по коллекциям ископаемых, были предложены новые статистические методы для более аккуратного учета неполноты и неравномерности первичных данных. Как теперь выглядят кривые динамики разнообразия? Что показывает сравнение тщательно проверенных китайских данных с мировыми?

Вверху — графики общемирового биоразнообразия в палеозое, построенные в работах разных научных групп. Черная линия — результаты группы Джона Алроя (J. Alroy et al., 2008. Phanerozoic Trends in the Global Diversity of Marine Invertebrates). Внизу — аналогичные графики (красный — число родов, голубой — число видов), построенные на основе данных базы Geobiodiversity Database. Шкалы справа (красные) соответствуют только красным линиям. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Среди явных различий авторы отмечают вымирание китайской фауны в позднем кембрии и увеличение ее разнообразия в раннем силуре. Согласно данным из PBDB, пополненным за последние десять лет, позднекембрийское вымирание различимо во всех регионах, а вот силурийское — нет. Было бы интересно разобраться с этим региональным феноменом.

Кривая родового разнообразия по PBDB (число родов усреднялось в выборках за 10 млн лет). Видно, что в силуре (буква S на шкале периодов внизу) никакого катастрофического вымирания не наблюдается. рисунок из статьи Á. T. Kocsis et al., 2019. The R package divDyn for quantifying diversity dynamics using fossil sampling data

Из интересных результатов сами авторы выделили анализ корреляций видового разнообразия с различными факторами среды. Они изучили материалы по всевозможным средовым факторам — температуре, парциальному давлению углекислого газа в атмосфере, темпам захоронения органики по изотопным соотношениям углерода, скорости осадконакопления и выветривания пород (по изотопам стронция), число полуизолированных палеобассейнов. Как отмечают авторы, ни один фактор не оказывал на видовое разнообразие палеозоя однозначного влияния, поэтому следует рассматривать совокупное влияние всех факторов, а не каждого по отдельности.

Тема корреляций с факторами окружающей среды подводит нас к еще одному важному результату обсуждаемой работы. Авторам удалось получить хронологическую последовательность с очень высокой разрешающей способностью. Ее довели до ~26000 ± 14900 лет, что для палеозоя исключительно «точно»: обычно для этого временного интервала палеонтологи оперируют временными отрезками в несколько миллионов лет. Для этого потребовалось сопоставить и скомпилировать диапазоны распространения всех видов во всех разрезах. А потом полученную последовательность появления видов совместили с имеющимися абсолютными датировками реперных геологических слоев. Это позволило получить шкалу с видами-индексами и вычисленной средней протяженностью между ними.

В действительности, в этом и заключается суть работы биостратиграфов. Чтобы пояснить эту мысль, воспользуемся аналогией. Представим себе чечевицу, насыпанную в стакан. При этом отдельные чечевичинки налегают друг на друга и перекрываются краешками. Каждое зернышко чечевицы в этой аналогии представляет один стратиграфический разрез, а стратиграф должен из налегающих зернышек-разрезов составить единую шкалу, использовав для этого перекрывание видовых диапазонов.

Сопоставление даже двух разрезов требует серьезного анализа, тут порой мешают и объективные биогеографические факторы, и субъективное видение материала. В Geobiodiversity Database весь этот труд формализован и предоставлен суперкомпьютеру (см. самый верхний рисунок, на котором тонкие линии между соседними разрезами показывают соответствие слоев, а оно, в свою очередь, определяется по встречаемости общего вида или видов).

Признаюсь, такая программа — это мечта любого стратиграфа, которая, как выясняется, может быть реализована, хотя авторы статьи скромно об этом умолчали. По сравнению с ней изучение сходства и различия глобального и китайского регионального разнообразия попросту меркнет. Ведь, как показывает сопоставление динамики разнообразия по двум базам данных, для задач по анализу разнообразия и вымираниям вполне подходит и PBDB. А вот для составления хронологических шкал и разметки событий прошлого нужна именно Geobiodiversity Database.

Источник: Jun-xuan Fan, Shu-zhong Shen, Douglas H. Erwin, Peter M. Sadler, Norman MacLeod, Qiu-ming Cheng, Xu-dong Hou, Jiao Yang, Xiang-dong Wang, Yue Wang, Hua Zhang, Xu Chen, Guo-xiang Li, Yi-chun Zhang, Yu-kun Shi, Dong-xun Yuan, Qing Chen, Lin-na Zhang, Chao Li, Ying-ying Zhao. A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity // Science. 2020. DOI: 10.1126/science.aax4953.

Елена Наймарк